虛擬現實建模

虛擬現實建模是利用虛擬現實技術，在虛擬的數字空間中模擬真實世界中的事物，虛擬現實技術將數字圖像處理、計算機圖形學、多媒體技術、感測與測量技術、仿真與人工智慧等多學科融於一體，為人們建立起一種逼真的、虛擬的、互動式的三維空間環境。

基本介紹

• 中文名：虛擬現實建模
• 外文名：Virtual Reality Modeling
• 簡稱：VRM
• 包括：幾何建模、運動建模等
• 效果：三維空間環境
• 所需技術：圖像處理、計算機圖形學等

概述

虛擬現實技術是在虛擬的數字空間中模擬真實世界中的事物，這就需要一個逼真的數字模型，於是虛擬現實建模技術就產生了。虛擬現實與現實到底像不像， 是與建模技術緊密相關的，所以建模技術的研究具有非常重要的意義。

按照建模方式的不同，現有的建模技術主要可以分為：幾何造型、掃描、基於圖象等幾種方法。基於幾何造型的建模技術需要專業的設計人員掌握相關三維軟體創建出物體的三維模型，對設計人員要求高，而且效率不高。三掃瞄器以其高精度的優勢而得到套用，但由於測量設備本身所占空間比較大，容易受到空間、地點等因素的限制， 從而限制其在某些特定情況下的使用範圍,再者還需要進行一些後期的專業處理。基於數碼照片的三維建模技術則可以根據物體的不同方位運用不同的視角來拍攝的數碼照片，只要依據確定的數位相機的內外部參數來確定物體的特徵點的空間方位。

開發一個套用的第一步就是要從數學上定義基本過程,並配備已有的硬體資源。第二步就是開發對象資料庫和最佳化模型,即建立對象的形狀、外表、行為、限制模型並將對應的I/0 工具映射到仿真的世界。建立一個虛擬對象模型所要考慮的一些基本問題有以下幾個方面：幾何建模，運動建模，對象特徵，模型分割等。

幾何建模技術

形狀建模

要表現三維物體，最基本的是繪製出三維物體的輪廓，利用點和線來構建整個三維物體的外邊界，即僅使用邊界來表示三維物體。三維圖形物體中運用邊界表示的最普遍方式是使用一組包圍物體內部的表面多邊形來存儲物體的描述，多面體的多邊形表示精確的定義了物體的表面特徵，但對其它物體，則可以通過把表面嵌入到物體中來生成一個多邊形格線逼近，曲面上採用多邊形格線逼近可以通過將曲面分成更小的多邊形加以改進。由於線框輪廓能快速顯示以概要的說明表面結構，因此，這種表示在設計和實體模型套用中普遍採用。通過沿多邊形表面進行明暗處理來消除或減少多邊形邊界，以實現真實性繪製。

外觀建模

對象的外表是一種物體區別於其它物體的質地特徵，VR系統中虛擬對象的外表真實感主要取決於它的表面反射和紋理。一般來講，只要時間足夠寬裕，用增加物體多邊形的方法可以繪製出十分逼真的圖形表面。但是VR 系統是典型的限時計算與顯示系統，對實時性要求很高。因此，省時的紋理映射(Texture Mapping )技術在VR 系統幾何建模中得到廣泛套用。用紋理映射技術處理對象的外表，一是增加了細節層次以及景物的真實感；二是提供了更好的三維空間線索；三是減少了視景多邊形的數目，因而提高了幀刷新率，增強了複雜場景的實時動態顯示效果。

運動建模技術

幾何建模只是反映了虛擬對象的靜態特性，而VR中還要表現虛擬對象在虛擬世界中的動態特性，而有關對象位置變化、旋轉、碰撞、伸縮、手抓握、表面變形等方面的屬性就屬於運動建模問題。

對象位置通常涉及對象的移動、伸縮和旋轉。因此往往需要用各種坐標系統來反映三維場景中對象之間的相互位置關係。例如，假如我們開著一輛汽車圍繞樹駕駛，從汽車內看該樹，該樹的視景就與汽車的運動模型非常相關，生成該樹視景的計算機就應不斷對該樹移動、旋轉和縮放。 碰撞檢測經常用來檢測對象甲是否與對象乙相互作用。例如，兩輛汽車碰撞之前的外形模型與發生碰撞後的模型是很不一樣的。碰撞檢測需要計算對象間的相對位置。在虛擬現實套用中，碰撞檢測計算非常費時，研究者從省時和精確的角度發明了許多碰撞檢測算法。

物理建模技術

在幾何建模和運動建模之後，虛擬世界建模的下一步是綜合體現對象的物理特性，包括重力、慣性、表面硬度、柔軟度和變形模式等，這些特徵與幾何建模和行為法則相融合，形成更具有真實感的虛擬環境。例如，用戶用虛擬手握住一個球，如果建立了該球的物理模型，用戶就能夠真實地感覺到該球的重量、硬軟程度等。 物理建模是虛擬現實中比較高層次的建模，它需要物理學和計算機圖形學的配合，設計到力學反饋問題，樹妖是重量建模、表面變形和軟硬度的個物理屬性的體現。分行技術和例子系統就是典型的物理建模方法。

分形技術

分型技術可以描述具有自相似特徵的數據集。自相似特徵的典型例子是樹。若不考慮樹葉的區別，當我們靠近樹梢時，數的細稍看起來也像一棵大樹。有相關的一組樹梢構成的一根樹枝，從一定距離觀察時也像一棵大樹。這種結構上的自相似成為統計意義上的自相似。自相似結構可用於複雜的不規則外形物體的建模。該技術首先用於水流和山體的地理特徵建模。例如，我們可以利用三角形來生成一個隨機搞成的地理模型，去三角形三邊的中點並按吮吸連線起來，將三角形分割成4個三角形，同時，我們給每箇中隨機地賦值一個高程值，然後遞歸上述過程，我們就可以產生相當真實的山體。 分型技術的優點是簡單的操作就可以完成複雜的不規則物體的建模，缺點是計算量太大，不利於時候死刑。因此，在虛擬現實宏一般僅僅用於靜態遠景的建模。

粒子系統

粒子系統是一種典型的物理建模系統，例子系統是用簡單的元素來完成複雜的運動的建模。粒子系統有大量的成為例子的簡單元素構成，每個例子具有位置、速度。顏色和生命期等屬性，這些屬性可以根據動力學計算和隨機過程得到。在虛擬顯示中，例子系統常用與描述火焰、水流、雨雪、旋風、噴泉等現象。在虛擬顯示中例子系統用於動態的、運動的物體建模。

模型管理技術

對一個複雜的虛擬世界，其包含許多的對象，每個對象又包含各種模型，這樣由此帶來的巨大計算負載使VR引擎（VR實現的軟體和硬體環境）幾乎不可能做到信息的實時處理和吞吐。這就需要模型管理技術來幫助VR引擎以互動速度繪製複雜虛擬現實，同時對仿真質量不會產生重大影響。常用的模型管理技術有：細節等級（LOD）管理技術和單元分割技術。